DE102019215618A1

DE102019215618A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102019215618A1
Application number: DE102019215618.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fritsch; Petr Zeman; Tobias Hoeffken; Marc Chaineux
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-04-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in dem unter vorgebbaren Bedingungen während eines Betriebs einer Tankheizung eines Reduktionsmitteltanks der Verbrennungsmotor von einem ersten Betriebszustand (43) betrieben und während der Dauer der Begrenzung in einen zweiten Betriebszustand (44) betrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Um den Anteil von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors zu verringern, ist bekannt in einem Abgasstrang einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) anzuordnen. Dieser reduziert die im Abgas enthaltenden Stickoxide in Gegenwart von Ammoniak als Reduktionsmittel zu Stickstoff. Um das Ammoniak bereitzustellen, wird stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die Harnstoff als Ammoniak abspaltendes Reagenz enthält. Eine 32,5-prozentige HWL ist unter der Bezeichnung AdBlue^® kommerziell erhältlich. Diese weist ein Gefrierpunkt von -11,5°C auf.
Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von AdBlue^® würde die HWL gefrieren. Um dieses im Betrieb des SCR-Katalysatorsystems zu verhindern, ist im Reduktionsmitteltank eine Tankheizung vorgesehen. Wird ein Kraftfahrzeug, in dem das SCR-Katalysatorsystem angeordnet ist, allerdings für längere Zeit bei niedrigen Außentemperaturen abgestellt, so gefriert die HWL da die Tankheizung bei abgestelltem Kraftfahrzeug abgeschaltet ist. Durch Einschalten der Tankheizung muss die HWL bei erneuter Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs erst aufgetaut werden, um sie in den Abgasstrang eindosieren zu können. Die Tankheizung und eine thermische Isolierung des Reduktionsmitteltanks werden zwar so dimensioniert, dass in den meisten Fällen schnell ausreichend HWL aufgetaut werden kann, um den HWL-Bedarf des SCR-Katalysatorsystems zu decken, es gibt jedoch auch Ausnahmen. Wenn ein Kraftfahrzeug in Regionen mit sehr kalten Wintern lange bei niedriger Außentemperatur abgestellt wird, nimmt die gefrorene HWL im Reduktionsmitteltank eine so niedrige Temperatur an, dass es lange dauert sie aufzutauen. Falls noch während des Auftauvorgangs eine hohe Lastanforderung an den Verbrennungsmotor erfolgt, weil das Kraftfahrzeug schwer beladen ist und der Fahrer möglicherweise aggressiv fährt, so kann es passieren, dass die gesamte aufgetaute HWL durch Dosieranforderungen in den Abgasstrang eindosiert wird. Dies führt dazu, dass die Tankheizung nicht mehr von flüssiger HWL, sondern nur noch von Luft umgeben ist. Damit kann sie keine weitere Wärme auf die gefrorene HWL übertragen, die von einer Luftblase von der Tankheizung isoliert wird. Dies würde dazu führen, dass das SCR-Katalysatorsystem nicht mehr funktioniert.
Um dies zu verhindern werden Betriebsstrategien des SCR-Katalysatorsystems verwendet, bei denen während einer Auftauphase der HWL bei vorliegend kritischen Bedingungen hinsichtlich der Umgebungstemperatur und Lastanforderung an den Verbrennungsmotor die maximal erlaubte Dosierrate der HWL begrenzt wird. Durch diese Begrenzung kann zwar ein vollständiger Ausfall des SCR-Katalysatorsystems vermieden werden, es ist jedoch nicht mehr möglich die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors vollständig zu reduzieren, sodass Stickoxide in die Umwelt gelangen.
Offenbarung der Erfindung
In dem Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors wird unter vorgebbaren Bedingungen während eines Betriebs einer Tankheizung eines Reduktionsmitteltanks eines SCR-Katalysatorsystems des Verbrennungsmotors der Verbrennungsmotor von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand geschaltet.
Die vorgebbaren Bedingungen umfassen vorzugsweise, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass der Phasenzustand einer Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank durch ein Modell als gefroren oder teilweise gefroren bestimmt wurde. Dies weist darauf hin, dass ein Auftauen der Reduktionsmittellösung erforderlich ist.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine Umgebungstemperatur des Reduktionsmitteltanks einen vorgebbaren ersten Temperaturschwellenwert, zumindest für einen vorgebbaren ersten Zeitraum, unterschreitet. Unter diesen Bedingungen ist davon auszugehen, dass die gefrorene Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank eine so niedrige Temperatur angenommen hat, dass sie mittels der Tankheizung nur langsam aufgetaut werden kann.
Ferner ist es bevorzugt, dass die vorgegebenen Bedingungen umfassen, dass eine Temperatur des Reduktionsmitteltanks einen vorgebbaren Temperaturschwellenwert zumindest für einen vorgebbaren zweiten Zeitraum unterschreitet. Auch unter diesen Bedingungen ist davon auszugehen, dass die gefrorene Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank mittels der Tankheizung nur langsam aufgetaut werden kann.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass ein Signal eines Konzentrationssensors des Reduktionsmitteltanks nicht verfügbar ist. Dies weist darauf hin, dass der Konzentrationssensor von gefrorener Reduktionsmittellösung eingeschlossen ist.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass ein Signal eines Füllstandsensors des Reduktionsmitteltanks nicht verfügbar ist. Dies weist darauf hin, dass der Füllstandsensor von gefrorener Reduktionsmittellösung eingeschlossen ist.
Schließlich ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine modellierte Menge flüssiger Reduktionsmittellösung einen Mengenschwellenwert unterscheitet. Dieses Modell kann auf einer Massenbilanz von in den Abgasstrang eindosierter Reduktionsmittellösung basieren. Der Mengenschwellenwert kann so gewählt werden, dass sein Unterschreiten die Gefahr eines bevorstehenden Verbrauchs der noch verbleibenden flüssigen Reduktionsmittellösung anzeigt.
In dem Verfahren ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor ohne Vorliegen der vorgebbaren Bedingungen in dem ersten Betriebszustand betrieben wird und während der Dauer des Vorliegen der vorgebbaren Bedingungen in dem zweiten Betriebszustand betrieben wird. Der erste Betriebszustand entspricht dabei einem Betriebszustand einer herkömmlichen Betriebsstrategie des Verbrennungsmotors. Der zweite Betriebszustand kann so ausgestaltet werden, dass die Rohemissionen des Verbrennungsmotors an Stickoxiden gegenüber dem ersten Betriebszustand verringert werden, um so die negativen Auswirkungen eines Betriebs des SCR-Katalysatorsystems mit begrenzter Dosierrate auf die Umwelt zu mindern oder sogar vollständig aufzuheben.
Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass der Verbrennungsmotor im zweiten Betriebszustand so betrieben wird, dass Stickoxid-Rohemissionen des Verbrennungsmotors gegenüber dem ersten Betriebszustand verringert sind. Dieser Betrieb des Verbrennungsmotors kann durch ein elektronisches Steuergerät realisiert werden. Hierbei kann es sich um dasselbe elektronische Steuergerät handeln, welches auch das SCR-Katalysatorsystem betreibt. Es ist jedoch auch möglich, den Verbrennungsmotor über ein Motorsteuergerät zu betreiben, welches lediglich Daten eines weiteren Steuergerätes empfängt, das das SCR-Katalysatorsystem steuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Verringerung der Stickoxidemissionen dadurch erreicht, dass in dem zweiten Betriebszustand ein Drehmoment des Verbrennungsmotors begrenzt wird. Damit werden hohe Drehmomentanforderungen des Fahrers eines vom Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs unterbunden. Zur Vermeidung hoher Stickoxidemissionen wird dabei eine geringere Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in Kauf genommen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Verbrennungsmotor in dem zweiten Betriebszustand mit einem anderen Kennfeld betrieben als in dem ersten Betriebszustand. Dieses andere Kennfeld kann so ausgestaltet sein, dass die Verbrennungsvorgänge im Verbrennungsmotor zu geringeren Stickoxidrohemissionen führen als im ersten Betriebszustand. Ein solcher Wechsel des Kennfeldes wird üblicherweise mit höheren Kohlendioxidemissionen und einem höheren Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors erkauft.
Das Kennfeld des zweiten Betriebszustands kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass es eine niedrigere durchschnittliche Verbrennungstemperatur des Verbrennungsmotors gegenüber dem ersten Betriebszustand vorsieht. Dies kann beispielsweise durch Änderungen der Kraftstoffeinspritzmenge oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist im zweiten Betriebszustand eine höhere Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) des Verbrennungsmotors im Vergleich zum ersten Betriebszustand vorgesehen.
Neben der sowieso niedrigeren Eindosierung von Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang aufgrund der im zweiten Betriebszustand verringerten Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors kann zusätzlich auch vorgesehen sein, dass eine Dosierrate mindestens eines Dosierventils des SCR-Katalysatorsystems im zweiten Betriebszustand begrenzt. Hierbei handelt es sich um eine aus dem Stand der Technik bekannte Strategie zur Dosierratenbegrenzung, um einen Ausfall des SCR-Katalysatorsystems zu vermeiden. Wenn das SCR-Katalysatorsystem nur ein einziges Dosierventil aufweist, so wird die Dosierratenbegrenzung nur auf dieses angewandt. Weist es mehrere Dosierventile auf, so wird die Dosierratenbegrenzung so auf alle Dosierventile angewandt, dass eine maximale Gesamtdosierrate nicht überschritten wird und im Reduktionsmitteltank somit innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nie mehr als eine vorgebbare Menge an Reduktionsmittellösung entnommen wird.
Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens zu betreiben.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor, der mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann, zusammen mit seinem SCR-Katalysatorsystem.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Ein Verbrennungsmotor 10, eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs, ist in 1 abgebildet. Er emittiert Rohemissionen in einem Abgasstrang 11, in dem ein SCR-Katalysatorsystem 20 zur Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Das SCR-Katalysatorsystem 20 weist einen SCR-Katalysator 21 auf. Abgase verlassen den SCR-Katalysator 21 an seinem Ausgang 22. In einem Reduktionsmitteltank 23 ist eine Reduktionsmittellösung 24 in Form einer HWL bevorratet. Eine Saugleitung 25 mündet in dem Reduktionsmitteltank 23. Mittels einer Förderpumpe 26 wird die Reduktionsmittellösung 24 durch die Saugleitung 25 eingesaugt und in eine Druckleitung 27 gefördert. Aus der Druckleitung 27 wird sie mittels eines Dosierventils 28 stromaufwärts des SCR-Katalysators 21 in den Abgasstrang 11 eindosiert. Eine Tankheizung 30 in Form eines PTC-Thermistors (positive temperature coefficient) ist am Boden des Reduktionsmitteltanks 23 in der Nähe der Mündung der Saugleitung 25 angeordnet. Weiterhin sind ein dem Reduktionsmitteltank 23 ein Konzentrationssensor 31 und eine Füllstandsensor 32 angeordnet. Ein Temperatursensor 33 am Reduktionsmitteltank 23 misst die Temperatur der Reduktionsmittellösung 24. Ein elektronisches Steuergerät 40 steuert den Verbrennungsmotor 10, die Tankheizung 30 und die Förderpumpe 26. Es empfängt Daten des Konzentrationssensors 31, des Füllstandsensors 32 und des Temperatursensors 33. Außerdem empfängt es Daten eines Stickoxidsensors 41, der stromabwärts des Ausgangs 22 des SCR-Katalysatorsystem 20 im Abgasstrang 11 angeordnet ist.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in 2 dargestellt ist, erfolgt nach einem Start 40 des Verbrennungsmotors 10 eine Prüfung 41, ob die HWL 24 eingefroren ist und deshalb die Tankheizung 30 aktiviert werden muss. Die Prüfung 41 kann mittels eines Models erfolgen. Falls die HWL 24 eingefroren ist, erfolgt eine weitere Prüfung 42, ob kritische Betriebsbedingungen herrschen. Kritische Betriebsbedingungen liegen vor, wenn mittels eines nicht dargestellten Umgebungstemperatursensors festgestellt wurde, dass das Kraftfahrzeug zumindest für einen vorgebbaren Zeitraum in einer sehr kalten Umgebung abgestellt wurde, deren Umgebungstemperatur unter einem ersten Temperaturschwellenwert liegt. Die kritischen Betriebsbedingungen liegen auch vor, wenn mittels des Temperatursensors 33 festgestellt wurde, dass zumindest für einen weiteren vorgebbaren Zeitraum eine Temperatur im Reduktionsmitteltank 23 unter einem zweiten Temperaturschwellenwert lag. Auch denn, wenn ein Signal des Konzentrationssensors 31 oder des Füllstandsensors 32 im elektronischen Steuergerät 40 nicht verfügbar ist, liegen kritische Betriebsbedingungen vor. Auf Grundlage einer Massenbilanz von mittels des Dosierventils 28 in den Abgasstrang 11 eindosierter Reduktionsmittellösung 24 wird außerdem im elektronischen Steuergerät 40 ein Modell der Menge flüssiger Reduktionsmittellösung 24 im Reduktionsmitteltank 23 berechnet. Wenn diese Menge einen Mengenschwellenwert unterscheitet, dann liegen ebenfalls kritische Betriebsbedingungen vor. Solange diese kritischen Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind, erfolgt ein Betrieb des Verbrennungsmotors 10 in einem ersten Betriebszustand 43. Dieser entspricht einer herkömmlichen Betriebsstrategie des Verbrennungsmotors 10. Liegen hingegen die kritischen Betriebsbedingungen vor, so wird der Verbrennungsmotor 10 in einem zweiten Betriebszustand 44 betrieben. In diesem wird das Drehmoment des Verbrennungsmotors begrenzt. Dadurch wird erreicht, dass ein gesetzlicher Stickoxidgrenzwert am Ausgang 22 eingehalten werden kann, ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass die gesamte bereits aufgetaute Reduktionsmittellösung 24 verbraucht wird. Das Vorliegen der kritischen Betriebsbedingungen wird ständig überprüft und je nachdem ob sich diese ändern, kann gegebenenfalls mehrfach ein Wechsel zwischen dem ersten Betriebszustand 43 und dem zweiten Betriebszustand 44 erfolgen. Dies kann insbesondere durch zeitweilig hohe Drehmomentanforderungen des Fahrers an den Verbrennungsmotor 10 hervorgerufen werden. Wenn der Verbrennungsmotor 10 sich in seinem ersten Betriebszustand 43 befindet und eine weitere Prüfung 45 ergibt, dass die HWL 24 inzwischen vollständig aufgetaut ist, so erfolgt ein Beenden 46 des Verfahrens.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem zweiten Betriebszustand 44 anstelle der Begrenzung des Drehmoments vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor 10 mit einem anderen Kennfeld betrieben wird als im ersten Betriebszustand 43. Dieses andere Kennfeld sieht niedrigere Verbrennungstemperaturen und eine höhere AGR-Rate als das Kennfeld des ersten Betriebszustands 43 vor.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10), wobei unter vorgebbaren Bedingungen während eines Betriebs einer Tankheizung (25) eines Reduktionsmitteltanks (23) eines SCR-Katalysatorsystems (20) des Verbrennungsmotors (10) der Verbrennungsmotor von einem ersten Betriebszustand (43) in einen zweiten Betriebszustand (44) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) in dem zweiten Betriebszustand (44) so betrieben wird, dass Stickoxid-Rohemissionen des Verbrennungsmotors (10) gegenüber dem ersten Betriebszustand (43) verringert sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebszustand (42) ein Drehmoment des Verbrennungsmotors (10) begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) in dem zweiten Betriebszustand (44) mit einem anderen Kennfeld betrieben wird als in dem ersten Betriebszustand (43).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kennfeld des zweiten Betriebszustands (44) eine niedrigere durchschnittliche Verbrennungstemperatur des Verbrennungsmotors (10) und/oder eine höhere AGR-Rate des Verbrennungsmotors im Vergleich zu dem Kennfeld des ersten Betriebszustands (43) vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass der Phasenzustand einer Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank (23) durch ein Modell als gefroren oder teilweise gefroren bestimmt wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine Umgebungstemperatur des Reduktionsmitteltanks (23) einen vorgebbaren ersten Temperaturschwellenwert zumindest für einen vorgebbaren ersten Zeitraum unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine Temperatur des Reduktionsmitteltanks (23) einen vorgebbaren Temperaturschwellenwert zumindest für einen vorgebbaren dritten Zeitraum unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass ein Signal eines Konzentrationssensors des Reduktionsmitteltanks nicht verfügbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass ein Signal eines Füllstandsensors des Reduktionsmitteltanks nicht verfügbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine modellierte Menge flüssiger Reduktionsmittellösung einen Mengenschwellenwert unterscheitet.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 12 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (30), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 einen Verbrennungsmotor (10) zu betreiben.